昆虫表皮蛋白基因研究进展
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DOI:10.16380/j.kcxb.2014.09.003
57 （ 9 ） ： 1084 － 1093 昆 虫 学 报 Acta Entomologica Sinica，September 2014 ，
ISSN 04546296
昆虫表皮蛋白基因研究进展
梁 欣，陈 斌，乔 梁
* （ 重庆师范大学昆虫与分子生物学研究所 ，重庆市动物生物学重点实验室，重庆 401331 ）
9期
梁
欣等： 昆虫表皮蛋白基因研究进展
1085
一。昆虫表皮的主要成分是几丁质和表皮蛋白， 表 皮蛋白与几丁质相互作用形成 Bouligand 模型， 以稳 定表皮的复杂结构， 同时维持表皮弹性和其他物理 2010 ） 。 由于不同类型表皮的几丁 性质（ Moussian， 质分子链长和乙酰化程度的差异很小， 因而表皮蛋 白基因种类和数量的变化是影响表皮结构及其机械 1995 ） ， 性能的重要因素（ Andersen et al．， 所以， 一直 以来表皮蛋白被认为是昆虫重要的结构蛋白 。 目 前， 在已完成基因组测序的昆虫中， 表皮蛋白基因的 数量都超过该昆虫基因组中蛋白质编码基因总数的 1% （ Futahashi et al．， 2008 ） ， 这暗示表皮蛋白在昆虫 、 、 生长 繁殖 环境适应等生理现象与过程中可能起着 将有助 重要的作用。对表皮蛋白基因的深入研究， 生理功能及其在昆虫发育 于阐明昆虫表皮的结构、 过程中所扮演的角色。 昆虫纲中大量的农林害虫及病媒昆虫给人类生 活和经济造成巨大损失， 并严重威胁人类健康。 因 害虫的防治或控制对保障人类正常的生产与生 此， 活显得尤为关键。目前主要采用化学杀虫剂对害虫 但是， 长期不合理的滥用杀虫剂以及昆虫 进行防控， 自身对化学毒物的代谢降解能力， 导致害虫产生抗 药性， 且分布越来越广， 抗性程度越来越高 （ Ｒanson et al．，2009 ； 侯娟和和龚震宇， 2011 ） 。 这使得我们 需要寻找不依赖于化学杀虫剂或研发新型杀虫剂的 办法来防治害虫。由于表皮具有极其重要的生理功 能， 对于昆虫的生存、 发育是不可替代的。 因此， 如 — —表皮蛋白为防治 果以构建昆虫表皮的关键元素— 靶点， 通过基因干扰、 基因敲除、 性别缺陷或致死系 统等成熟的分子遗传操作技术沉默一些重要表皮蛋 白基因的表达或使其缺失， 以破坏昆虫表皮组成与 结构的完整性、 胚胎期表皮的正常整合和外骨骼构 建等， 或可为害虫防控策略的探索提供参考 。 对昆虫表皮蛋白的表达调控、 功能及作用机理 深入系统的研究是以其为靶标来进行害虫防控的基 础。先前的研究主要着眼于表皮蛋白的鉴定 、 分类、 提 取 等 方 面 的 研 究 （ Andersen， 1998 ； Cornman， 2009 ） ， 最近十多年来， 由于基因组、 转录组、 蛋白质 组等海量数据的累积以及分子生物学和分子遗传操 作技术的突飞猛进， 表皮蛋白基因的表达、 调控及其 在昆虫重要的生理现象和过程中扮演的角色等方面 的研究相继报道。本文简要总结了昆虫表皮蛋白的 分类及代表性昆虫基因组中表皮蛋白的数量与分 类， 并着重对近 10 年昆虫表皮蛋白基因的表达调 控、 与昆虫重要生理现象或过程的关联等方面的研
究进行了综述， 并探讨了其在害虫防治方面的应用 前景。
1
昆虫表皮蛋白基因的鉴定与分类
自 1982 年 Snyder 等首次在黑腹果蝇 Drosophila melanogaster 中发现 4 条表皮蛋白序列以来 （ Snyder et al．， 1982 ） ， 至 2014 年在 NCBI 中收录的并有详细 描述的昆虫表皮蛋白序列已超过 1 400 条。 近 年 来， 随着 DNA 测序技术和生物信息学的快速发展， 黑腹果蝇、 冈比亚按蚊 Anopheles gambiae、 埃及伊蚊 Aedes aegypti、 Apis mellifera 、 西方蜜蜂 家 蚕 Bombyx mori、 赤拟谷盗 Tribolium castaneum 等各种昆虫全基 因组测序工作已完成。根据昆虫表皮蛋白的序列特 征（ 表 1 ） ， 将其划分为 CPＲ（ 含有 Ｒebers ＆ Ｒiddiford CPF （ 含一段高度保守的长为 44 个氨 保守基序 ） 、 CPFL （ CPF like ） 、 Tweedle （ 含有 4 个 基酸的区域 ） 、 CPAP1 （ 有 1 个 ChtBD2 几丁质结合 保守的区域 ） 、 CPAP3 （ 有 3 个 ChtBD2 几丁质结合域 ） ， CPG 域） 、 （ 有许多短的甘氨酸重复序列 ） 、 CPLC （ 一类含有低 CPLCG， CPLCP 和 复杂 序 列 的 蛋 白， 包 括 CPLCA， CPLCW 亚家族） 和 Apidermin 等 12 个家族 （ Willis， 2010 ） 。 我们比较了家蚕、 冈比亚按蚊、 埃及伊蚊等 7 种 昆虫中表皮蛋白基因的种类和数量 （ 图 1 ） ， 结果显 示： CPＲ 家族基因数量是最多的， 在 28 ～ 157 之间， CPＲ 基因的比例均超过各自表皮蛋 在这些昆虫中， 白基因总量的 50% ， 且根据角质层的类型和位置的 CPＲ 家族可分成 3 个亚族， 1 （ 主要存在 差异， 即 ＲＲＲＲ2 （ 主要存在坚硬表皮层 ） 和 ＲＲ3 柔软表皮层 ） 、 （ 目前对其研究不多 ） （ Andersen，2000 ） ； TWDL 家 族表皮蛋白基因数量在 2 ～ 27 之间， 在西方蜜蜂中 鳞翅目家蚕的 4 个 Tweedle 蛋白除了包 数目最少， 还包含特有的 含 TWDL 家族中 4 个保守的基序外， LSM 基 序 （ Lepidoptera specific motif ） （ 梁 九 波， 2012 ） ； 在 CPLC （ 低 复 杂 度 序 列 的 表 皮 蛋 白， 包含 CPLCP， CPLCG， CPLCA 和 CPLCW 等亚家族 ） 家族 中，CPLCW 亚家族成员仅在蚊虫中存在 （ Cornman and Willis，2009 ） ； CPG 家族和 CPH 家族主要在家 蚕 中 有 报 道 和 描 述，其 数 量 分 别 为 29 和 34 （ Okamoto et al．，2008 ） ； 而 Apidermin 家 族 于 2007 年首次被 报 道， 且目前仅存在于膜翅目的蜂类中 （ Kucharski et al．，2007 ； 孙亮先等， 2011 ， 2012 ） 。 除 上述主要类群之外， 一些表皮蛋白仅存在于个别昆
摘要： 在昆虫表皮的发生、 分化和昆虫躯体外部重要部位及器官的构建中 ， 表皮蛋白是不可或缺的组成元素 。本文 在简要总结了目前昆虫表皮蛋白鉴定与分类方面研究的基础上 ， 重点对近 10 年来昆虫表皮蛋白基因的时空表达 激素及转录因子对表皮蛋白基因表达的调控 、 表皮蛋白基因功能的研究进展进行了综述 ， 探讨了其在害虫防 模式、 治中可能的应用前景， 旨在为进一步研究昆虫表皮蛋白基因及其潜在利用价值提供参考 。 目前报道的昆虫表皮蛋 白序列已超过 1 400 条， 分为 12 个家族， 如 CPＲ，CPF，CPFL 和 Tweedle 等。 经由蜕皮激素激活的相关转录因子 （ 如 βFTZF1 和 BＲC 等） 作用于表皮蛋白基因上游的顺式作用元件 ， 开启或关闭基因， 以调控表皮蛋白基因的表 。 ， ， ， ， 达 表皮蛋白基因在昆虫表皮整合 体形塑造 活动能力 抗逆与抗药性 以及先天免疫等生理现象和生理过程中 如果能够通过抑制关键表皮蛋白基因的表达 ， 或将其从基因组中删除 ， 以阻碍昆虫的发 有不可或缺的作用。因此， 或可为害虫防治策略提供参考 。 育或扰乱昆虫的繁殖能力 ， 关键词： 昆虫； 表皮蛋白； 鉴定与分类； 基因表达调控； 基因功能； 害虫防控 6296 （ 2014 ） 09108410 中图分类号： Q966 文献标识码： A 文章编号： 0454-
Ｒesearch progress in insect cuticular protein genes
LIANG Xin，CHEN Bin，QIAO Liang * （ Institute of Entomology and Molecular Biology，Chongqing Key Laboratory of Animal Biology，Chongqing Normal University，Chongqing 401331 ，China） Abstract： During insect cuticle occurrence and differentiation，and in the process of construction of external important parts and organs of insect body，cuticular proteins are essential constituent elements． In this article，we briefly summarized the identification and classification，the spatiotemporal expression patterns，the regulation of expression by hormones and transcription factors，and functional research of insect cuticular protein genes over the past ten years． We also discussed their possible application prospects in pest control in order to provide references for further study of insect cuticular proteins anwk.baidu.com their potential utilization． More than 1 400 sequences of insect cuticular proteins have been reported，and they are divided into twelve families such as CPＲ，CPF，CPFL，Tweedle，etc． Ｒelated transcription factors such as βFTZF1 and BＲC ，which are activated by ecdysteroid，act on the cis acting elements upstream cuticular protein genes and turn on or off these genes in order to regulate the expression of cuticular protein genes． Cuticular protein genes play an indispensable role in the insect cuticle integration，body shaping，activity，resistance，innate immunity and other physiological phenomena and physiological process． Therefore，if we can inhibit the expression of key cuticular protein gene or remove it from the genome to prevent the insect development or disrupt the reproductive ability of insects，this may provide reference for pest control strategies． Key words： Insect； cuticular protein； identification and classification； gene expression and regulation； gene function； pest control 昆虫的表皮覆盖着其整个身体表面， 不仅防御 病原体的攻击与不利环境的伤害， 而且在昆虫发育 过程中对其体形的塑造和维持正常的活动能力是必 不可少的 （ Delon and Payre，2004 ； Moussian et al．， 2005 ） 。因此， 表皮极大地增强了昆虫的生存和适 应能力， 确保昆虫发展为动物界最为成功的类群之
“两江学者 ” 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 31302038 ） ； 重庆市自然科学基金项目（ cstc2013jcyjA0634 ） ； 重庆市 资助项目； 美国国立卫生 YYJSB80002 ） 研究院（ NIH） 项目（ Ｒ01AI095184 ） ； 重庆市科技攻关重点项目（ CSTC2012GG1989 年生，四川始阳人，硕士研究生，研究方向为昆虫分子生物学，Email： liangxinyitian@ 163． com 作者简介： 梁欣，女， mail： qiaoliangswu@ 163． com 通讯作者 Corresponding author，EＲeceived ： 20140514 ； 0909 收稿日期 接受日期 Accepted： 2014*
57 （ 9 ） ： 1084 － 1093 昆 虫 学 报 Acta Entomologica Sinica，September 2014 ，
ISSN 04546296
昆虫表皮蛋白基因研究进展
梁 欣，陈 斌，乔 梁
* （ 重庆师范大学昆虫与分子生物学研究所 ，重庆市动物生物学重点实验室，重庆 401331 ）
9期
梁
欣等： 昆虫表皮蛋白基因研究进展
1085
一。昆虫表皮的主要成分是几丁质和表皮蛋白， 表 皮蛋白与几丁质相互作用形成 Bouligand 模型， 以稳 定表皮的复杂结构， 同时维持表皮弹性和其他物理 2010 ） 。 由于不同类型表皮的几丁 性质（ Moussian， 质分子链长和乙酰化程度的差异很小， 因而表皮蛋 白基因种类和数量的变化是影响表皮结构及其机械 1995 ） ， 性能的重要因素（ Andersen et al．， 所以， 一直 以来表皮蛋白被认为是昆虫重要的结构蛋白 。 目 前， 在已完成基因组测序的昆虫中， 表皮蛋白基因的 数量都超过该昆虫基因组中蛋白质编码基因总数的 1% （ Futahashi et al．， 2008 ） ， 这暗示表皮蛋白在昆虫 、 、 生长 繁殖 环境适应等生理现象与过程中可能起着 将有助 重要的作用。对表皮蛋白基因的深入研究， 生理功能及其在昆虫发育 于阐明昆虫表皮的结构、 过程中所扮演的角色。 昆虫纲中大量的农林害虫及病媒昆虫给人类生 活和经济造成巨大损失， 并严重威胁人类健康。 因 害虫的防治或控制对保障人类正常的生产与生 此， 活显得尤为关键。目前主要采用化学杀虫剂对害虫 但是， 长期不合理的滥用杀虫剂以及昆虫 进行防控， 自身对化学毒物的代谢降解能力， 导致害虫产生抗 药性， 且分布越来越广， 抗性程度越来越高 （ Ｒanson et al．，2009 ； 侯娟和和龚震宇， 2011 ） 。 这使得我们 需要寻找不依赖于化学杀虫剂或研发新型杀虫剂的 办法来防治害虫。由于表皮具有极其重要的生理功 能， 对于昆虫的生存、 发育是不可替代的。 因此， 如 — —表皮蛋白为防治 果以构建昆虫表皮的关键元素— 靶点， 通过基因干扰、 基因敲除、 性别缺陷或致死系 统等成熟的分子遗传操作技术沉默一些重要表皮蛋 白基因的表达或使其缺失， 以破坏昆虫表皮组成与 结构的完整性、 胚胎期表皮的正常整合和外骨骼构 建等， 或可为害虫防控策略的探索提供参考 。 对昆虫表皮蛋白的表达调控、 功能及作用机理 深入系统的研究是以其为靶标来进行害虫防控的基 础。先前的研究主要着眼于表皮蛋白的鉴定 、 分类、 提 取 等 方 面 的 研 究 （ Andersen， 1998 ； Cornman， 2009 ） ， 最近十多年来， 由于基因组、 转录组、 蛋白质 组等海量数据的累积以及分子生物学和分子遗传操 作技术的突飞猛进， 表皮蛋白基因的表达、 调控及其 在昆虫重要的生理现象和过程中扮演的角色等方面 的研究相继报道。本文简要总结了昆虫表皮蛋白的 分类及代表性昆虫基因组中表皮蛋白的数量与分 类， 并着重对近 10 年昆虫表皮蛋白基因的表达调 控、 与昆虫重要生理现象或过程的关联等方面的研
究进行了综述， 并探讨了其在害虫防治方面的应用 前景。
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昆虫表皮蛋白基因的鉴定与分类
自 1982 年 Snyder 等首次在黑腹果蝇 Drosophila melanogaster 中发现 4 条表皮蛋白序列以来 （ Snyder et al．， 1982 ） ， 至 2014 年在 NCBI 中收录的并有详细 描述的昆虫表皮蛋白序列已超过 1 400 条。 近 年 来， 随着 DNA 测序技术和生物信息学的快速发展， 黑腹果蝇、 冈比亚按蚊 Anopheles gambiae、 埃及伊蚊 Aedes aegypti、 Apis mellifera 、 西方蜜蜂 家 蚕 Bombyx mori、 赤拟谷盗 Tribolium castaneum 等各种昆虫全基 因组测序工作已完成。根据昆虫表皮蛋白的序列特 征（ 表 1 ） ， 将其划分为 CPＲ（ 含有 Ｒebers ＆ Ｒiddiford CPF （ 含一段高度保守的长为 44 个氨 保守基序 ） 、 CPFL （ CPF like ） 、 Tweedle （ 含有 4 个 基酸的区域 ） 、 CPAP1 （ 有 1 个 ChtBD2 几丁质结合 保守的区域 ） 、 CPAP3 （ 有 3 个 ChtBD2 几丁质结合域 ） ， CPG 域） 、 （ 有许多短的甘氨酸重复序列 ） 、 CPLC （ 一类含有低 CPLCG， CPLCP 和 复杂 序 列 的 蛋 白， 包 括 CPLCA， CPLCW 亚家族） 和 Apidermin 等 12 个家族 （ Willis， 2010 ） 。 我们比较了家蚕、 冈比亚按蚊、 埃及伊蚊等 7 种 昆虫中表皮蛋白基因的种类和数量 （ 图 1 ） ， 结果显 示： CPＲ 家族基因数量是最多的， 在 28 ～ 157 之间， CPＲ 基因的比例均超过各自表皮蛋 在这些昆虫中， 白基因总量的 50% ， 且根据角质层的类型和位置的 CPＲ 家族可分成 3 个亚族， 1 （ 主要存在 差异， 即 ＲＲＲＲ2 （ 主要存在坚硬表皮层 ） 和 ＲＲ3 柔软表皮层 ） 、 （ 目前对其研究不多 ） （ Andersen，2000 ） ； TWDL 家 族表皮蛋白基因数量在 2 ～ 27 之间， 在西方蜜蜂中 鳞翅目家蚕的 4 个 Tweedle 蛋白除了包 数目最少， 还包含特有的 含 TWDL 家族中 4 个保守的基序外， LSM 基 序 （ Lepidoptera specific motif ） （ 梁 九 波， 2012 ） ； 在 CPLC （ 低 复 杂 度 序 列 的 表 皮 蛋 白， 包含 CPLCP， CPLCG， CPLCA 和 CPLCW 等亚家族 ） 家族 中，CPLCW 亚家族成员仅在蚊虫中存在 （ Cornman and Willis，2009 ） ； CPG 家族和 CPH 家族主要在家 蚕 中 有 报 道 和 描 述，其 数 量 分 别 为 29 和 34 （ Okamoto et al．，2008 ） ； 而 Apidermin 家 族 于 2007 年首次被 报 道， 且目前仅存在于膜翅目的蜂类中 （ Kucharski et al．，2007 ； 孙亮先等， 2011 ， 2012 ） 。 除 上述主要类群之外， 一些表皮蛋白仅存在于个别昆
摘要： 在昆虫表皮的发生、 分化和昆虫躯体外部重要部位及器官的构建中 ， 表皮蛋白是不可或缺的组成元素 。本文 在简要总结了目前昆虫表皮蛋白鉴定与分类方面研究的基础上 ， 重点对近 10 年来昆虫表皮蛋白基因的时空表达 激素及转录因子对表皮蛋白基因表达的调控 、 表皮蛋白基因功能的研究进展进行了综述 ， 探讨了其在害虫防 模式、 治中可能的应用前景， 旨在为进一步研究昆虫表皮蛋白基因及其潜在利用价值提供参考 。 目前报道的昆虫表皮蛋 白序列已超过 1 400 条， 分为 12 个家族， 如 CPＲ，CPF，CPFL 和 Tweedle 等。 经由蜕皮激素激活的相关转录因子 （ 如 βFTZF1 和 BＲC 等） 作用于表皮蛋白基因上游的顺式作用元件 ， 开启或关闭基因， 以调控表皮蛋白基因的表 。 ， ， ， ， 达 表皮蛋白基因在昆虫表皮整合 体形塑造 活动能力 抗逆与抗药性 以及先天免疫等生理现象和生理过程中 如果能够通过抑制关键表皮蛋白基因的表达 ， 或将其从基因组中删除 ， 以阻碍昆虫的发 有不可或缺的作用。因此， 或可为害虫防治策略提供参考 。 育或扰乱昆虫的繁殖能力 ， 关键词： 昆虫； 表皮蛋白； 鉴定与分类； 基因表达调控； 基因功能； 害虫防控 6296 （ 2014 ） 09108410 中图分类号： Q966 文献标识码： A 文章编号： 0454-
Ｒesearch progress in insect cuticular protein genes
LIANG Xin，CHEN Bin，QIAO Liang * （ Institute of Entomology and Molecular Biology，Chongqing Key Laboratory of Animal Biology，Chongqing Normal University，Chongqing 401331 ，China） Abstract： During insect cuticle occurrence and differentiation，and in the process of construction of external important parts and organs of insect body，cuticular proteins are essential constituent elements． In this article，we briefly summarized the identification and classification，the spatiotemporal expression patterns，the regulation of expression by hormones and transcription factors，and functional research of insect cuticular protein genes over the past ten years． We also discussed their possible application prospects in pest control in order to provide references for further study of insect cuticular proteins anwk.baidu.com their potential utilization． More than 1 400 sequences of insect cuticular proteins have been reported，and they are divided into twelve families such as CPＲ，CPF，CPFL，Tweedle，etc． Ｒelated transcription factors such as βFTZF1 and BＲC ，which are activated by ecdysteroid，act on the cis acting elements upstream cuticular protein genes and turn on or off these genes in order to regulate the expression of cuticular protein genes． Cuticular protein genes play an indispensable role in the insect cuticle integration，body shaping，activity，resistance，innate immunity and other physiological phenomena and physiological process． Therefore，if we can inhibit the expression of key cuticular protein gene or remove it from the genome to prevent the insect development or disrupt the reproductive ability of insects，this may provide reference for pest control strategies． Key words： Insect； cuticular protein； identification and classification； gene expression and regulation； gene function； pest control 昆虫的表皮覆盖着其整个身体表面， 不仅防御 病原体的攻击与不利环境的伤害， 而且在昆虫发育 过程中对其体形的塑造和维持正常的活动能力是必 不可少的 （ Delon and Payre，2004 ； Moussian et al．， 2005 ） 。因此， 表皮极大地增强了昆虫的生存和适 应能力， 确保昆虫发展为动物界最为成功的类群之
“两江学者 ” 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 31302038 ） ； 重庆市自然科学基金项目（ cstc2013jcyjA0634 ） ； 重庆市 资助项目； 美国国立卫生 YYJSB80002 ） 研究院（ NIH） 项目（ Ｒ01AI095184 ） ； 重庆市科技攻关重点项目（ CSTC2012GG1989 年生，四川始阳人，硕士研究生，研究方向为昆虫分子生物学，Email： liangxinyitian@ 163． com 作者简介： 梁欣，女， mail： qiaoliangswu@ 163． com 通讯作者 Corresponding author，EＲeceived ： 20140514 ； 0909 收稿日期 接受日期 Accepted： 2014*